一些激活函数

摘要

本篇博客对一些激活函数进行总结，以便加深理解和记忆

激活函数分类

• 饱和激活函数：sigmoid、tanh…

• 非饱和激活函数：ReLU、LeakyRelu、ELU、PReLU、RReLU…

• 饱和的概念：设激活函数f(x)，当x趋近于正负无穷时，f(x)趋近于0

• 非饱和激活函数的优点

  • 非饱和激活函数能解决深层网络带来的梯度消失问题
    • 非饱和激活函数有助于加快收敛速度

sigmoid

• 公式：$f(x)=\frac{1}{1+e^{-x}}$
• 导数公式：$f^{\prime }(x)=f(x)(1-f(x))$

• 何时使用
  • 将模型的值压缩到[0,1]范围内的概率值，适用于二分类或置信度
  • 梯度平滑，便于求导
• 缺点
  • 容易造成梯度消失。我们从导函数图像中了解到sigmoid的导数都是小于0.25的，那么在进行反向传播的时候，梯度相乘结果会慢慢的趋向于0。这样几乎就没有梯度信号通过神经元传递到前面层的梯度更新中，因此这时前面层的权值几乎没有更新，这就叫梯度消失。除此之外，为了防止饱和，必须对于权重矩阵的初始化特别留意。如果初始化权重过大，可能很多神经元得到一个比较小的梯度，致使神经元不能很好的更新权重提前饱和，神经网络就几乎不学习
  • 函数输出不是以 0 为中心的，梯度可能就会向特定方向移动，从而降低权重更新的效率
  • 执行指数运算，计算机运行得较慢，比较消耗计算资源

Sigmoid函数在历史上曾非常常用，但是现在它已经不太受欢迎，实际中很少使用

Tanh

• 公式：$f(x)=\frac{e^x-e^{-x}}{e^x+e^{-x}}(=2sigmoid(2x)-1)$

• 何时使用
  • 映射范围为[-1,1]，且函数以0为中心，比sigmoid更好
  • 负输入将被强映射为负，而零输入被映射为接近零
• 缺点
  • 仍然存在梯度饱和的问题
  • 依然进行的是指数运算

Softsign

• 公式：$f(x)=\frac{x}{1+|x|}$
• 导数：$f^{\prime }(x)=\frac{1}{(1+|x|{)}^2}$

• Softsign函数是Tanh函数的另一个替代选择，是反对称、去中心、可微分，并返回-1和1之间的值。其更平坦的曲线与更慢的下降导数表明它可以更高效地学习，比tTanh函数更好的解决梯度消失的问题
• Softsign函数的导数的计算比Tanh函数更复杂

Softmax

• 公式：$f(x)=\frac{e^{X_i}}{{\sum }_i{e}^{X_i}}$

Softmax函数常在神经网络输出层充当激活函数，将输出层的值通过激活函数映射到0-1区间，将神经元输出构造成概率分布，用于多分类问题中

ReLU

• 公式：$f(x)=max(0,x)$

• 何时使用
  • ReLU解决了梯度消失的问题，当输入值为正时，神经元不会饱和
  • 由于ReLU线性、非饱和的性质，在SGD中能够快速收敛
  • 计算复杂度低，不需要进行指数运算
• 缺点
  • 输出不是以0为中心的
  • Dead ReLU 问题。当输入为负时，梯度为0。这个神经元及之后的神经元梯度永远为0，不再对任何数据有所响应，导致相应参数永远不会被更新

训练神经网络的时候，一旦学习率没有设置好，第一次更新权重的时候，输入是负值，那么这个含有ReLU的神经节点就会死亡，再也不会被激活。所以，要设置一个合适的较小的学习率，来降低这种情况的发生

Softplus

• 公式：$f(x)=log(1+e^x)$

Softplus函数可以看作是ReLU函数的平滑

Noisy ReLU

• 公式：$f(x)=max(0,x+Y),YN(0,\sigma (x))$

ReLU被扩展以包括高斯噪声(Gaussian noise)，在受限玻尔兹曼机解决计算机视觉任务中得到应用，实验结果表明Maxout与Dropout组合使用可以发挥比较好的效果

Leaky ReLU

• 公式：$f(x)=max(ax,x)$

• 何时使用
  • 解决了ReLU输入值为负时神经元出现的死亡的问题
  • Leaky ReLU线性、非饱和的性质，在SGD中能够快速收敛
  • 计算复杂度低，不需要进行指数运算
• 缺点
  • 函数中的α，需要通过先验知识人工赋值（一般设为0.01）
  • 有些近似线性，导致在复杂分类中效果不好

从理论上讲，Leaky ReLU 具有 ReLU 的所有优点，而且 Dead ReLU 不会有任何问题，但在实际操作中，尚未完全证明 Leaky ReLU 总是比 ReLU 更好

PRelu

• 公式
  f ( a , x ) = [ a x ,        x < 0 x , x ≥ 0 ] f(a,x) =
  [ax,x<0x,x≥0]" role="presentation" style="position: relative;">[ax,x<0x,x≥0]$$\left[\begin{array}{c}ax,x<0\\ x,x\ge 0\end{array}\right]$$
  f(a,x)=[ax,x<0x,x≥0​]

PRelu激活函数也是用来解决ReLU带来的神经元坏死的问题。与Leaky ReLU激活函数不同的是，PRelu激活函数负半轴的斜率参数α 是通过学习得到的，而不是手动设置的恒定值

ELU

• 公式

f ( a , x ) = [ a ( e x − 1 ) ,      x ≤ 0 x , x ＞ 0 ] f(a,x)=

f(a,x)=[a(ex−1),x≤0x,x＞0​]

• 何时使用
  • ELU试图将激活函数的输出均值接近于零，使正常梯度更接近于单位自然梯度，从而加快学习速度
  • ELU 在较小的输入下会饱和至负值，从而减少前向传播的变异和信息
• 缺点
  • 计算的时需要计算指数，计算效率低

与Leaky ReLU和PRelu激活函数不同的是，ELU激活函数的负半轴是一个指数函数而不是一条直线

SELU

• 公式

f ( a , x ) = λ [ a ( e x − 1 ) ,      x ≤ 0 x , x ＞ 0 ] ,      λ = 1.0507 , a = 1.6733 f(a,x)=λ

,\;\;λ=1.0507,a=1.6733 f(a,x)=λ[a(ex−1),x≤0x,x＞0​],λ=1.0507,a=1.6733

• SELU 允许构建一个映射 g，其性质能够实现 SNN（自归一化神经网络）
• SNN 不能通过ReLU、sigmoid 、tanh 和 Leaky ReLU 实现
• 这个激活函数需要有：
  • 负值和正值，以便控制均值
  • 饱和区域（导数趋近于零），以便抑制更低层中较大的方差
  • 大于 1 的斜率，以便在更低层中的方差过小时增大方差
  • 连续曲线。后者能确保一个固定点，其中方差抑制可通过方差增大来获得均衡。通过乘上指数线性单元（ELU）来满足激活函数的这些性质，而且 λ>1 能够确保正值净输入的斜率大于 1

SELU激活函数是在自归一化网络中定义的，通过调整均值和方差来实现内部的归一化，这种内部归一化比外部归一化更快，这使得网络能够更快得收敛

Swish

• 公式：$f(x)=x\ast sigmoid(x)$

• Swish激活函数无界性有助于防止慢速训练期间，梯度逐渐接近 0 并导致饱和
• 有界性也是有优势的，因为有界激活函数可以具有很强的正则化(防止过拟合， 进而增强泛化能力)，并且较大的负输入问题也能解决
• Swish激活函数在x=0附近更为平滑，而非单调的特性增强了输入数据和要学习的权重的表达能力

GELU

• 公式
  $$\begin{gathered} f(x)=x\ast p=x\Phi (x),\Phi 为标准正态分布的积累分布函数 \\ \Phi (x)=\frac{1}{\sqrt{2\Pi }}{\int }_{-\infty }^x{e}^{-\frac{t^2}{2}}dt=\frac{1}{2}(1+erf(\frac{x}{\sqrt{2}})) \\ erf(x)=\frac{1}{\sqrt{\Pi }}{\int }_{-x}^x{e}^{-t^2}dt=\frac{2}{\sqrt{\Pi }}{\int }_0^x{e}^{-t^2}dt，高斯误差函数,与tanh(x)比较接近 \end{gathered}$$
• GELU（高斯误差线性单元）是一个非初等函数形式的激活函数，是RELU的变种，被GPT-2、BERT、RoBERTa、ALBERT 等NLP模型所采用，将ReLU及其变种与Dropout合二为一
• GELU 与 Swish 激活函数的函数形式和性质非常相像，一个是固定系数 1.702，另一个是可变系数 β（可以是可训练的参数，也可以是通过搜索来确定的常数），两者的实际应用表现也相差不大

GLU

• 公式
  $$\begin{gathered} GLU(a,b)=a\odot sigmoid(b) \\ GLU(x,W,V)=sigmoid(xW)\odot xV \end{gathered}$$
• GLU通过门控机制对输出进行把控，像Attention一样可看作是对重要特征的选择。其优势是不仅具有通用激活函数的非线性，而且反向传播梯度时具有线性通道，类似ResNet残差网络中的加和操作传递梯度，能够缓解梯度消失问题
• 由于 sigmoid和tanh的导数会downscaling，导致梯度消失问题。而GLU相比sigmoid多出一个线性乘积项，因此能够加速收敛

GEGLU

• 公式
  $$GEGLU(x,W,V)=GELU(xW)\odot xV$$
• GEGLU是GLU激活函数的变体，将GLU中的sigmoid替换为GELU，Google的T5 Transformer模型中对Feed-Forward Network采用了GEGLU，性能提升比较显著
• 除了用GELU替代GLU中的sigmoid外，还可用ReLU、Swish等，甚至取消其中的激活函数（Bilinear(x, W, V) = xW · xV），但是这些变体相比GLU差异不是特别显著

Mish

• 公式：$f(x)=x\ast tanh(ln(1+e^x))$

Mish激活函数的函数图像与Swish激活函数类似，但要更为平滑一些，缺点是计算复杂度要更高一些

Maxout

• 公式：$h_i(x)=ma{x}_{j\in [1,k]}{z}_{ij},z_{ij}=x^T{W}_{ij}+b_{ij},W\in R^{d\ast m\ast k}$
• 优点
  • 拟合能力非常强，可以拟合任意的凸函数
  • 具有ReLU的所有优点，线性、不饱和性
  • 没有ReLU的一些缺点，如：神经元的死亡
• 缺点：每个神经元中有两组(w,b)参数，那么参数量就增加了一倍，导致了整体参数的数量激增

Maxout可以看做是在深度学习网络中加入一层激活函数层,包含一个参数k.这一层相比ReLU,sigmoid等,其特殊之处在于增加了k个神经元,然后输出激活值最大的值